CN1126864C - 内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种分离式、放电点火、形式的不节流内燃机，即其中大量燃油直到接近压缩冲程终了，在放电点火之前不久才开始与大量空气混合。本发明采用一个与主气缸(12)相通的第二气缸(14)，燃油在第二气缸内被送来汽化。有一个包含放电点火装置(52)的腔室与第二气缸(14)相连，一定可控量的燃油被送入该腔室，这些燃油与发动机压缩冲程期间进入腔室的空气混合，使火花塞点火时具有一个基本上是理想配比的燃油/空气混合物，与发动机的输出功率无关。

Description

内燃机
技术领域
本发明涉及一种内燃机。
背景技术
“分离式发动机”(segregating engine)是一种直到接近压缩冲程终了时，就在点火之前，燃油才开始与发动机吸入的空气混合的发动机，已知有多种可归于分离式发动机的内燃机，例如由GB-A-2155546，GB-A-2186913，GB-A-2218153，GB-A-2238830，GB-A-2246394，GB-A-2261028，GB-A-2268544，GB-A-2279407和US5,803,026。这些文献所述的发动机在专业文献中被认为是Merritt发动机。
柴油机也是一种分离式发动机，其中火花点火汽油机(SIGE)压缩燃油和空气的预混合物。
分离式发动机如柴油机和Merritt发动机的一个重要特征是：燃油与大部分空气隔离，直至正好在点火时刻之前，以及在接近压缩冲程终了时燃油被迅速输送进燃烧室。
在Merritt发动机中，在较大的传统活塞的排气和/或吸气冲程期间燃油可进入一个第二气缸/活塞装置，且被第二活塞限制在第二气缸，在那里燃油被基本上汽化，同时又保持着与大部分空气隔离，直至接近压缩冲程终了为止。那时第二活塞将该燃油输送到燃烧室。Merritt发动机类似于柴油机，但它允许燃油在进入燃烧室之前有时间汽化并与空气混合而形成一浓的气态混合物。象柴油机一样，Merritt发动机可不调节进气实现从全功率降至空转的操作。
使用放电点火时，Merritt发动机应能保证提供给火花塞以能可靠地反复被点燃的燃油/空气混合物而不出现功能劣化。
发明内容
本发明旨在提供一种改进了的内燃机，特别是提供在所有供油情况下供给火花塞一精密控制的燃油/空气混合物的装置。
相应地，本发明提供了一内燃机，包括：
至少一对第一和第二气缸，第一气缸与第二气缸相比具有较大的工作容积；
在所述气缸里可往复移动的相应第一与第二活塞，第二活塞将第二气缸分成一第一容积和一第二容积，第二容积位于两活塞之间；
与第一气缸连通的进气装置；
与第一气缸连通的排气装置；
当所述活塞基本上位于其内止点位置时，在所述活塞之间确定一公共燃烧空间的装置，所述燃烧空间包括所述的第二容积；
能使气体在第二活塞的压缩冲程接近终了时从所述第一容积流入所述第二容积的传递装置；
阻止燃油/空气混合物从所述第一容积运动到所述第二容积、直至第二活塞的压缩冲程接近终了时的封阻装置；
一个第一燃油源，其用于向第一容积供油以满足发动机功率需求；
驱动所述第二活塞的驱动装置；
在第二气缸的一侧壁上形成且通过孔装置通向所述第二气缸的腔室装置；
安置于所述腔室内的放电点火装置；
燃油输送装置向所述腔室装置里提供一定量的燃油以在腔室装置内形成可放电点燃的燃油/空气混合物，所述燃油量的确定与第一燃油源输送的燃油量无关。
本发明的一个特点是：在第一活塞的压缩冲程期间，通过孔装置把基本上纯的空气输送到腔室装置里与输送到腔室装置里的燃油混合，输送到腔室装置里的燃油量的确定与依照发动机所需功率输送到发动机的总的燃油量无关。
优选地，燃油输送装置将基本上液态燃油送入腔室装置。同样优选地，第一燃油源也是燃油输送装置。优选地，孔装置与第一燃油源成一直线。
优选地，第二活塞的活塞顶冠在其部分行程范围将孔装置从第一燃油源遮盖，而在其另一部分行程范围将孔装置暴露于第一燃油源。
另外，燃油输送装置连接到腔室的一个侧壁。在此实施例中，燃油输送装置可将基本上液态燃油或基本上气态燃油送入腔室装置。
优选地，在另一实施例中，第一燃油源直接把一定量的燃油送入第一容积，燃油输送装置直接把另一些燃油送入腔室装置。可以理解，第一燃油源输送的燃油量由发动机的功率要求所决定，与可靠、有效地放电点火的要求无关，而燃油输送装置输送的燃油量不受发动机的功率要求所控制但选定得能实现可靠、有效的放电点火。
优选地，驱动装置包括在至少是第一活塞做功冲程一部分期间保持第二活塞处在或靠近其内止点位置基本不动的装置。
附图说明
下面通过实例，参考附图进一步说明本发明，其中：
图1为通过根据现有技术的一个四冲程发动机的两个气缸的一部分剖面图，所示为做功冲程终了；
图2为图1的现有结构一部分的放大示意图，实线所示为吸气冲程终了，虚线所示为压缩冲程终了；
图3为类似于图2、但是按照本发明的一发动机的两个气缸的一部分的剖面图；
图4为当较小活塞处于外止点位置时，发动机的较小气缸的局部剖面图；
图5为图4的俯视剖面图；
图6为类似于图4的视图，表示工作循环中一个不同的位置；
图7为类似于图5的一替代实施例的视图；
图8为类似于图6的另一替代实施例的视图；
图9是又一替代实施例的视图，第二活塞处于其外止点位置；
图10为类似于图9的另一个替代实施例的视图；和
图11为类似于图9的又一个替代实施例的视图。
具体实施方式
本发明是公开的美国专利5,803,026的改进；图1和2引自该公开文献。为了便于参照说明，本发明的实施例与现有技术采用相同的标号。
图1和图2中所示的Merritt发动机具有一个大气缸12和一个小气缸14，互相之间通过气孔2161连通。小活塞18可在小气缸14里运动并具有一带驱动杆234的顶部35。顶部35的边缘37距小气缸14的侧壁14a(图3)具有一径向间隙128。当小活塞18处于其内止点位置18a时，如图1，顶部35和气孔2161之间的空间20形成为发动机燃烧室。
与早期设计的Merritt发动机相同的是，气孔2161允许气体在大、小气缸之间运动，并影响压缩冲程期间空间20内的空气运动。
大活塞16可在大气缸12里运动，具有一顶部36，且以传统的方式通过活塞环密封。进、排气门24向气缸16输入空气并从气缸排出废气。优选地，进气不节流。两个活塞16和18通过可联接在一起的独立机构来动作，或通过一合适的控制器C控制而一起操作。例如，小活塞18可通过一个弹簧(未示出)和连接到以曲轴的一半转速旋转的凸轮轴600的一个凸轮500来运动。
应当理解，腔室520内的混合气的燃油/空气比由如图2所示孔522的轴向位置确定。距离X控制含有气态燃料的混合气进入腔室520的周期，距离Y控制只有空气进入腔室的周期。距离X与距离Y相加等于第二活塞18的整个行程。在距离X期间，从第一容积15a进入腔室的燃油量不是恒定的，而是与由喷油嘴34先前送入第一容积15a的燃油量成比例地改变以满足发动机的功率要求。因此，一旦选定了距离X和Y，适于可靠的火花点火的燃油/空气混合物的浓度(consistency)只能是在发动机供油(enginefuelling)的一个窄的范围内得以保持。本发明通过在腔室520内提供一基本恒定的燃油/空气混合气克服了这一困难，而可以实现在发动机供油条件的一个很宽的范围内可靠的火花点火。
如图3所示，同图1和2中一样，小活塞18将第二气缸14分成小活塞顶部35后面的一个第一容积15a，和位于两活塞之间的一个第二容积15b。将会理解，第一和第二容积15a、15b的大小随着小活塞18的运动而变化；当活塞18处于其内止点位置(图1)时，第二容积15b最大，并形成大部分燃烧空腔20。
小活塞18的顶部35具有一边缘37，其轴向厚度显著小于活塞18的行程。外边缘37与小气缸的侧壁14a间隔开以形成一个环隙128。
基本上为液态的燃油通过喷油嘴34被送入小气缸14的第一容积15a。由于喷射时一部分燃油可能立即或多或少地汽化这一事实，这里称为“基本上为液态的燃油”。
在小气缸14的一侧壁上形成有一腔室520。火花塞52装在腔室520里用于点火。腔室520通过一个节流孔或口522与燃烧室20连通(图4)。喷油嘴34和火花塞52可通过发动机的操纵系统M控制。
在本发明的一种优选结构型式中，喷油嘴沿着与孔522对准的轴线以基本上为液态燃油的至少一个基本上相干射流(coherent jet)的方式输送燃油，且孔522的位置使它只有在活塞18，如图3和4所示，接近其外止点位置时，才完全暴露于液态燃油的这一射流。
喷油嘴轨迹方向偏离活塞18的杆234，如图5中所见，使得燃油在其向孔522的通道上不会碰到驱动杆234。
火花塞腔室520的取向可选定得允许接近多缸发动机内的火花塞。图7表示了一个方位，其中火花塞52和喷油嘴34两者均能从一多缸发动机的相同侧边缘接进。在这种实施例中，火花塞不直接对准喷油嘴34。
本发明的工作原理如下：
在第一活塞16的排气和吸气两冲程期间，第二活塞18从其停置或内止点位置(与图1所示位置相应)向其外止点位置(图3，4)运动，以实现容积15a的吸气冲程。在本发明的一种优选结构型式中，在该吸气冲程期间，如图6，一主(基本上为液态的)燃油量通过喷油嘴34喷入小气缸14的第一容积15a。该燃油与通过活塞18周围的环隙128漏入第一容积15a的残余排放气体以及空气相混合并汽化到其中。通过使主燃油量保持隔离于第一容积15a中，小环隙128与活塞顶部35一起起到封阻装置的作用。
在吸气过程的大部分期间，如图6所示，由于第二活塞18阻挡燃油流入腔室，液态燃油射流不能抵达孔522；而是燃油会碰撞活塞18的锥面，并因此部分地雾化成细雾。由第一燃油源输送的主燃油量用于帮助满足发动机负载的要求，且由图3中表示为控制器M的发动机操纵系统确定，其又对该燃油量喷射的定时和持续时间进行控制。
在第二活塞18的吸气冲程末端，孔522暴露于液态燃油射流从喷油嘴34输送的轨迹，如图4所示。此时，一副(基本上为液态的)燃油量通过孔522被直接送入腔室520。该副燃油量不受发动机的负载要求所支配，而是被确定以在放电腔室520内形成基本上化学计算(理论)燃油/空气混合物。
副燃油量喷射的起始定时和延续时间也由控制器M控制，该控制器M可接收表示第二活塞18位置的信号，例如从类似于图1凸轮轴600的凸轮轴的位置。
优选地，在小活塞18的吸气冲程期间，发动机的排气口或是进气口通向大气缸12，使第二气缸14和火花塞腔室520内的压力都处于或接近大气压力。相应地，即使在点火腔室孔522开向第一容积15a时存在于第一容积15a内的燃油/空气混合气也没有多少或没有进入到点火腔室520的倾向，使存在于点火腔室内的所有或基本上所有的燃油是特意送入其中的副燃油量。将会理解，因为不必克服高的气体压力喷射燃油，喷油嘴34可以供以适度低压下的液态燃油。
一旦活塞16和18基本上一起开始其压缩冲程，基本上不带燃油的空气开始通过气孔2161进入小气缸14的第二容积15b，当空气进入腔520并与先前送入腔室520内的副燃油量混合时，火花塞腔室520内的压力开始升高。
压缩空气被压缩过程加热，且其迫使孔522内留有的任何液态燃油进入火花塞腔室520并在压缩冲程期间将其汽化。孔522相对于腔室520的方向可以构做成在腔室520内造成适当的空气流动以有助于其内液态燃油的快速汽化。
在接近压缩冲程终了火花塞通电时，腔室520内的燃油/空气混合气近似于理想配比，最好是略稀，它将会燃烧而不产生积炭。在当汽化的主燃油混合气，包括隔离于容积15a内的主燃油量，绕环隙128--现起到传递装置的作用--进入燃烧室20时，从孔522冒出的喷射火焰会被导向接近其停置或内止点位置的第二活塞18的周围。
优选地，在第一活塞的压缩冲程期间，使第二容积15b内的空气绕第二容积外围涡动，也就是说空气绕平行以及/或者重合于第二活塞18的杆234轴线的一个轴旋转。当燃油/空气混合物在压缩冲程终了从第一容积进入第二容积时，该旋涡有助于使燃油/空气混合物在点火时就在环隙128的下面保持旋转。这样，即非常少量的使燃油气体也能保持相当的浓度并在点火时可被点燃。如图1-3所示，该旋动可以例如通过气孔2161的形状、方向和位置获得。
优选地，第二气缸14在毗邻第二活塞18a(图3)的内止点位置包括有一个扩大的凹槽38，以有助于当第二活塞接近其内止点位置时使燃油/气体混合物进入第二容积15b。在该实施例中，可选择的凹槽38也用作传递装置的一部分。图3表示出该凹槽38，可以理解，在其他的实施例中也最好设有该槽。
在本发明的一种优选结构型式中，在活塞16的排气冲程和吸气冲程两者期间发生活塞18的吸气冲程。活塞16和18的吸气冲程大约同时终止，并且两者基本上一起通过其压缩冲程。在活塞16的做功(燃烧)冲程期间，活塞18如图1所示保持坐靠位置，这样保护了喷油嘴34免受燃烧压力和温度，并给燃烧室或空间20留出最大的容积。
当第二活塞位于其内止点位置时，它后面的即其后表面与其支座之间的容积应是最小的。优选地，第二活塞的后表面以活塞外围贴合到支座，将喷嘴34和杆234从燃烧室20密封开来。
可以一个特别的第二短时喷射将燃油送入火花腔室520，该喷射可被延迟达主燃油量开始输送后第一活塞16的两个冲程或360度曲轴角度。或者一单独的喷油，特别是在低供油条件下，可在第二活塞18露出火花腔室孔522(如图6)之前开始并在所述孔露出来的同时继续(如图4)。因此第二活塞阻挡燃油流入腔室，直至其通过其行程上的某一点，而喷嘴喷射的燃油方向并不改变；换一种说法，在第二活塞在其外止点位置附近通过一个给定点之前和之后，燃油被阻止进入腔室520。
因此，如上所述，代替两个不同的燃油输送，喷嘴34可以持续地送油，而第二活塞在其行程上的某一点开始和停止燃油流入点火腔室520。
类似地，如果两个不同的喷射发生在一个发动机工作循环期间，副燃油量的输送可以在活塞18边缘露出孔522之前开始，并且可能地在其再次被活塞18边缘遮盖起来之后稍许持续，假如控制器M确保火花塞腔室接收适量的燃油，能在放电腔室520内形成一接近理论混合气，优选地是略微稀混合气。
喷油嘴34的轨迹轴线优选地与放电腔室孔522的轴重合，如图4所示，但可使用导致燃油从第二气缸内部表面折射或反射的其它燃油喷射轨迹。
除了指向孔522的射流之外，喷嘴还可以有一个或多个偏离孔的其它射流，以提高燃油输送率。这种方式中，部分或全部的主燃油量在副燃油量被送入点火腔室520的同时可被输送到第一容积15a。
孔522可有利地具有一漏斗形的锥口，以更好地收集对准它的液态燃油。
优选地，孔522的位置在活塞18处于其外止点位置时不要离开第二活塞18的边缘37的位置太远，以便减少压缩冲程前期腔室孔522暴露于第一容积15a中燃油/空气混合物的时间，并从而减小来自第二气缸14第一容积15a的含燃油气态混合物充入火花塞腔室520的可能性。此种气体中的燃油量随发动机负载而异，如果在压缩冲程期间允许其进入腔室520，那么发动机控制器M就要在确定“注满”放电腔室520所需的副燃油量时允许此种情况发生；这可能会带来不必要的复杂化。
在图8和图9所示的变型结构中，通过使用一个第二燃油源342作为除第一燃油源34以外另设的燃油输送装置，可实现燃油直接供给到点火或放电腔室520，第一燃油源只是用于向所述第一容积15a供油。
因此，在本发明的一个变型实施例中，设置了喷油嘴34，以喷束或射流的形式将液态燃油送入第一容积15a，而不必与孔522对准。喷嘴34将燃油输送到第一容积15a，而不送入点火腔室520。一个第二供油装置342通过腔520侧壁上的一个小孔将少量燃油送入点火腔室520，以在腔室内形成火花可点燃的燃油/空气混合物。通过喷嘴34和装置342燃油输送可发生在压缩冲程开始之前，这是有利的。
每一发动机工作循环中要求供油装置342输送少(副)量燃油一次，选定得在所有发动机工况下在点火腔室内形成一接近理论燃油/空气混合物。
将会理解，在大部分或全部压缩冲程期间，第二活塞18阻挡第一容积15a中含有的汽化燃油流进入点火腔室520并且只允许空气进入点火腔室。
供油装置342可采取不同的形式。可采用图9所示的带有一外开排出阀的小型传统喷油嘴形式。或者，在如图10所示的另一实施例中，该装置包括一个远距离设置的电磁线圈控制的喷油阀3422，其计量加压燃油并通过管道3434将其输送到一个单向阀和设置在腔室520内壁附近的输送喷嘴3421。这种方式中，燃油计量阀3422可设置在离开腔室520的一方便位置，可能是在燃油泵3433附近。在多缸发动机中，可能是多个气缸合用这样一个计量阀，并同时接受向其腔室520的燃油输送。
在图11所示实施例中，一个小的多室排液泵3435与发动机速度同步以输送所需的燃油量，并通过将燃油泵的一室与给定的一个或多个气缸的相应腔室520直接连接的各个管道34341至34344，按每一发动机工作循环一次地把它分配给每个气缸的腔室520。若需要，为将燃油系统与燃烧压力隔离，可以在腔室520的入口点处有利地使用一个单向阀3421。可以对供给点火腔室520的燃油进行预热，以利于冷起动。也可以汽化供给点火腔室的燃油，例如在在一合适的小型电热炉里，将将燃油以汽态形式输送到腔室520；这也可保证少量燃油计量的简单控制。
在图9的实施例中，燃油送入腔室520之后，在活塞16的压缩冲程过程中第二活塞18向其内止点位置运动。在此期间孔522暴露于基本上不含燃油的压缩空气。这些空气被迫进入腔室520，这样它汽化并与腔室内的燃油混合以形成可火花点燃的混合气，最好是化学计算理论混合气。
将理解，喷油嘴342可以有利地将一燃油量送入腔室520而不考虑发动机负载；在所有工况下，该燃油量被确定以在它与纯空气混合后在腔室520内形成一接近理论燃油/空气混合气，因此允许对腔室内空气和燃油比例进行精确控制。
如图3、4、6和8-11所示，当第二活塞在其内止点位置停置在其支座上时，孔522的方向有利地与第二活塞边缘对齐，以便有助于放电点火后腔室520产生的等离子火焰射流与压缩冲程终了时围绕第二活塞周边出现的燃油的直接接触。
又如图4所示，当小活塞18在其外止点位置时，孔522有利地正好处于小活塞边缘上方，以避免在小活塞18的压缩冲程期间燃油从第一容积15a侵入到腔室520。然而，可以理解：由于在图8-11的实施例中，副燃油量通过喷嘴342(或阀3421)输送到点火腔室520，故活塞18不需要将孔522暴露于第一容积15a，若需要，孔522可以处在小活塞18外止点位置以外，如图9所示的实施例。
将理解，因为在所有工况下空气通过进气门24可以有利地不节流进入第一气缸12，腔室520内的空气量会在很窄的范围内保持近似相同，只会随主要与随发动机速度而非负载相关的容积效率而变化。进入腔室520的燃油的计量的控制允许此种情况发生并进行得确保火花塞总点燃点火腔室520内的比理论燃油/空气混合气略稀薄的混合气，以保证火花塞决不积炭。
还应理解，本发明能够允许使用这样一个点火腔室，其直接供以可靠放电点火所需的液态燃油量，已经知道了在Merritt发动机压缩冲程过程中只有空气、基本上不再有燃油进入腔室。

Claims (12)

1.一种内燃机，包括：
至少一对第一和第二气缸，第一气缸与第二气缸相比具有较大的工作容积；
在所述各气缸里可往复移动的相应的第一与第二活塞，第二活塞将第二气缸分成一第一容积和一第二容积，第二容积位于两活塞之间；
与第一气缸连通的进气装置；
与第一气缸连通的排气装置；
当所述各活塞基本上位于其内止点位置时，在所述各活塞之间限定一公共燃烧空间的装置，所述燃烧室包括所述第二容积；
能使气体在第二活塞的压缩冲程接近终了时从所述第一容积流入所述第二容积的传递装置；
阻止燃油/空气混合气从所述第一容积运动到所述第二容积、直至第二活塞的压缩冲程接近终了时的封阻装置；
第一燃油源，其用于向第一容积供油，以满足发动机功率要求；
驱动所述第二活塞的驱动装置；
形成在第二气缸的一侧壁上且通过孔装置通向所述第二气缸的腔室装置；
安置于所述腔室装置内的火花点火装置；
其特征在于，用于向所述腔室装置里供给一定量的燃油以在其中汽化并在腔室装置内形成可火花点燃的燃油/空气混合气的燃油供给装置，所述燃油量与第一燃油源输送的燃油量无关地加以确定。
2.按照权利要求1所述的内燃机，其特征在于，燃油量通过燃油供给装置以横穿过第二气缸一部分的射流形式送入腔室装置。
3.按照权利要求1所述的内燃机，其特征在于，第一燃油源适于将一燃油量直接送入第一容积，而燃油供给装置适于将另一燃油量直接送入腔室装置。
4.按照权利要求3所述的内燃机，其特征在于，第一燃油源也是燃油输送装置。
5.按照权利要求4所述的内燃机，其特征在于，孔装置与第一燃油源对准。
6.按照权利要求5所述的内燃机，其特征在于，第二活塞的顶部在其运动行程的一部分期间将孔装置从第一燃油源遮盖住，而在其运动行程另一部分期间将孔装置暴露于第一燃油源。
7.按照权利要求1所述的内燃机，其特征在于，燃油供给装置与腔室装置的一壁相连。
8.按照权利要求1所述的内燃机，其特征在于，驱动装置包括用于在第一活塞做功冲程的至少一部分期间在或靠近其内止点位置处使第二活塞基本上保持固定。
9.按照权利要求1所述的内燃机，其特征在于，还包括限定公共燃烧空间的装置，包括第一气缸和第二容积之间的一个气孔，该气孔适于在第一活塞的压缩冲程期间形成围绕第二容积周边的旋转。
10.按照权利要求1所述的内燃机，其特征在于，当第二活塞位于其内止点位置时，孔装置基本上对准第二活塞的周边。
11.按照权利要求1所述的内燃机，其特征在于，由燃油供给装置提供的燃油量在进入腔室装置之前经受折射或反射。
12.按照权利要求1所述的内燃机，其特征在于，第一燃油源供给一主燃油量，燃油供给装置供给一副燃油量，副燃油量与主燃油量无关地予以控制。
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